首页

第三代宽禁带半导体材料碳化硅(SiC)与氮化镓(GaN)

发布时间：

2019-02-23

来源：

　　在半导体行业的发展进程中，人们通常把Si和Ge元素半导体称为第一代电子材料，把GaAs、InP、InAs等化合物半导体称为第二代半导体材料，而把Ⅲ族氮化物（主要包括GaN、相关化合物InN、AIN及其合金）、SiC、InSe、金刚石等宽带隙的化合物半导体称为第三代半导体材料。

　　图1：半导体

　　半导体是一种介于导体与绝缘体之间的材料，我们生活的方方面面都离不开半导体技术，电器、灯光、手机、电脑、电子设备等都需要半导体材料制造，第三代半导体材料发展较好的为碳化硅（SiC）与氮化镓（GaN），其中碳化硅的发展更早一些。

　　碳化硅晶体结构具有同质多型的特点，其基本结构是Si-C四面体结构。它是由四个Si原子形成的四面体包围一个碳原子组成，按相同的方式一个Si原子也被四个碳原子的四面体包围，属于密堆积结构。

　　氮化镓是氮和镓的化合物，是一种直接能隙的半导体，该化合物结构类似纤锌矿，硬度很高。氮化镓的能隙很宽，为3.4电子伏特，可以用在高功率、高速的光电元件中。

　　我们来看看氮化镓与碳化硅两者间的关键特性有什么区别。

碳化硅与氮化镓的关键特性对比：

　　从上表可见，GaN提供高电子迁移率，具备出色的击穿能力、更高的电子密度及速度。

　　虽然氮化镓部分性能更好，但发展尚有解决难题

　　氮化镓(GaN)半导体材料及器件的发展迅速，目前已经成为宽禁带半导体材料中耀眼的新星，但是氮化镓材料的发展尚有解决难题：一是如何获得高质量、大尺寸的GaN籽晶，因为直接采用氨热方法培育一个两英寸的籽晶需要几年时间；二是氮化镓产业链尚未完全形成。

　　相较下，碳化硅在当前宽禁带半导体材料中发展更为成熟，已经形成了全球的材料、器件和应用产业链。在第三代半导体材料中，二者均有着非常广阔的应用前景。

　　第三代宽禁带半导体的应用领域

　　第三代宽禁带半导体可应用在半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器、以及其他4个领域（见下图3），每个领域产业成熟度各不相同。在前沿研究领域，宽禁带半导体还处于实验室研发阶段。

　　图2：第三代宽禁带半导体材料应用领域

　　第三代半导体的发展现状

　　目前，美国、日本、欧洲在第三代半导体技术上拥有绝对的话语权。相比美、日，我国在第三代半导体材料上的起步较晚，水平较低。随着国家对第三代半导体材料的重视，近年来，我国半导体材料市场发展迅速，其中以碳化硅与氮化镓为主的材料备受关注。2016年，我国启动了“十三五”国家重点研发计划“战略性先进电子材料”重点专项的组织实施工作，第三代半导体材料与半导体照明作为重点专项中最重要的研究领域，得到了国家层面的重点支持。

　　第三代半导体技术逐步提升，市场逐渐开启，政策全面加速，资本积极进入，企业加快布局，第三代半导体产业在中国迎来发展“元年”。